Att kunna mäta proteiner på ytan av celler är viktigt för att förstå hur cellerna pratar med varandra. Forskare vid Karolinska Institutet utvecklar metoder som tar DNA-sekvensering till hjälp för att skapa en bild av hur proteiner ansamlas, vilket kan lära oss mer om cellsignalering i såväl frisk vävnad som vid cancerutveckling.
Projektanslag 2017
Deciphering Spatial Signaling of Protein Clusters at the Membrane
Huvudsökande:
Björn Högberg, professor i molekylära systems biofysik
Medsökande:
Ana Teixeira
Simon Elsässer
Lärosäte:
Karolinska Institutet
Beviljat anslag:
25,2 miljoner kronor under fem år
Celler kan kommunicera med varandra genom att ett protein binder till en mottagarmolekyl, receptor, på cellytan. Det sätter igång en signal som får cellen att reagera på ett visst sätt.
Men vissa signaleringssystem bygger på att signalen skickas först när proteiner samlas i stora kluster runt receptorn på cellytan – bara ett eller ett par proteiner aktiverar inte systemet. I ett projekt vid Karolinska Institutet utvecklar forskarna metoder för att mäta sådana proteinkluster.
– Det finns många områden där det är värdefullt att kunna mäta ansamlingar av proteiner på cellytan. Till exempel för att förstå hur cancerceller kommunicerar och hur vi kan påverka det, säger Björn Högberg, professor i molekylära systems biofysik vid Karolinska Institutet.
Vid bröstcancer är till exempel prognosen sämre när vissa proteinkluster bildas, och i vårt immunförsvar kan ansamlingar av proteiner på cellytan innebära att en cell ska oskadliggöras.
Men dagens metoder för att mäta sådana ansamlingar av proteiner räcker inte riktigt till, konstaterar Björn Högberg. Det går att använda färgade antikroppar som binder till proteinerna. Men då kan man inte se exakt hur många proteinerna är och hur de sitter. Mikroskopi med hög upplösning är ett annat alternativ, men det kräver avancerad utrustning och komplicerade experiment.
– Vår idé är att försöka utveckla enklare metoder, som är statistiskt bättre och mer objektiva än de som finns idag.
Avbildar proteiner utan mikroskop
Grunden för KI-forskarnas metoder är att skapa kopplingar mellan DNA-strängar som sedan kan läsas av med DNA-sekvensering. Björn Högberg beskriver det som att försöka se på molekylnivå med hjälp av sekvensering.
– Vi försöker få en DNA-sträng att bilda olika sekvenser beroende på hur proteinerna sitter, så att vi genom att läsa av DNAt kan få en bild av proteinerna på cellytan.
På skrivbordet framför Björn Högberg ligger något som ser ut som nudlar innan de kokas. Det är modeller av så kallad DNA-origami – vikta DNA-strängar – en teknik som hans forskargrupp har utvecklat. Med DNA-origami kan forskarna lätt bygga nanometersmå strukturer och designa exakt hur de ska se ut.
DNA-origami används i den ena av de två metoder som forskarna nu utvecklar, vilken främst drivs av projektets medsökande Ana Texeira. På en platt origamistruktur fäster forskarna korta DNA-strängar som vardera innehåller en viss specifik DNA-sekvens. Origamin får sedan binda till de proteinansamlingar man vill studera, som också har märkts in med olika DNA-strängar.
Därefter tillsätts enzymet DNA-polymeras, som kan bygga ihop DNA-strängar, samtidigt som provet och origamin får kontakta varandra. Om strängarna är tillräckligt nära varandra kommer informationen från proteinets DNA att kopieras till origamins DNA, förklarar Björn Högberg.
– När vi sedan tar bort origamin får vi ett slags avtryck av cellytan inskrivet i DNAt på origamin. När vi läser av DNAt med sekvensering kan vi i princip avgöra hur cellytan såg ut på molekylnivå – sitter DNA-sträng A ihop med sträng B, så måste protein A och protein B har varit nära varandra, och så vidare.
Enkel att använda
Den andra varianten av metoden använder inte DNA-origami som bärare. Men även den bygger på att proteiner märks med DNA-strängar, varpå polymerasenzym kopplar ihop strängarna på ett sätt som gör att sekvensering av den nya strängen ger information om proteinernas placering.
Den metoden kan också användas för att studera andra molekyler än proteiner, konstaterar Björn Högberg. Till exempel ge en bild av hur mRNA ligger i celler.
Metoderna kanske låter komplicerade, men in praktiken ska de vara enkla att använda.
– Du tar bara dina vävnadsprover eller cellprover, pipetterar lite på dem och sekvenserar. Enkelheten är styrkan. Med våra metoder kan man enkelt titta på en stor mängd proteinkluster på samma gång. Det ger statistiskt säkrare resultat än om du tittar med mikroskop på en utvald cell plus att det är lätt att göra många försök parallellt.
Som exempel nämner Björn Högberg möjligheten att snabbt testa vilken effekt hundratals olika läkemedelskandidater har på proteinansamling i bröstcancerceller.
Utmaningar i labbet
Möjligheterna med projektet är stora, men det är också utmaningarna. Forskarna tar sig an ett helt nytt koncept – idén att använda sekvensering för att få data om geometrin på molekylnivå har ingen ännu visat experimentellt i publicerade studier.
– Våra medarbetare har fått komma på mycket själva i labbet, ingen kunde lära ut hur de skulle göra. Nu har vi indikationer på att metoderna fungerar men när vi började var det en chanstagning.
I cellodlingslabbet placerar forskaren Ian Hoffecker en odlingsskål under ett mikroskop. Hittills har forskarna sett att metoderna fungerar i enkla modellsystem. Innan projekttiden är slut bedömer Björn Högberg att de har visat det även i cellprover, och kanske nått ännu längre:
– Det vore roligt att upptäcka något nytt inom cancerbiologin också.
Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström
